以計算思維為核心的計算機基礎教學改革與實踐

曾 一，劉慧君，李 杰，楊瑞龍，陳恒鑫，古 平，朱慶生

（重慶大學 計算機學院，重慶 400044）

1 教學改革的背景

在教育部計算機基礎教學課程指導委員的引領下，經過持續改革與建設，全國高校在計算機基礎教學方面取得了許多成果，但正如教指委在《大學計算機基礎課程教學基本要求》中指出的，大學計算機基礎課程仍然存在4個方面的共性問題：①對于作為通識類課程的地位沒有足夠的認識；②課程的基本內容不夠穩定；③基礎支撐作用體現得不夠充分；④教學水平的質量評價體系有待改進。

另一方面，全國各行各業對計算機的應用需求越來越廣泛和深入，主要表現在3個方面：①駕馭計算過程的能力已經從計算學科轉變為各專業的大眾計算共性需求；②抽象、建模、求解、優化、可視化等方法和技能已成為跨專業的計算共性需求；③將計算過程與專業應用需求相融合已成為大學生在本專業的學習、工作、研究、協作、應用、創新、創業等方面的必備能力。

計算思維的提出[1]和進一步闡釋[2]以及以計算思維為切入點的計算機課程改革[3]，給計算機基礎教學的改革帶來了新的機遇和挑戰。計算思維的含義是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，其本質是抽象和自動化，即按照計算機求解問題的基本方法考慮問題的求解，以便構建出相應的算法和基本程序。

重新審視計算思維的內涵與外延，計算思維的能力培養能夠高度概括和體現高校計算機基礎課程教學的培養目標，計算思維能力不僅能夠在不同層面體現學生具備的計算機文化和信息素養，而且能夠反映學生運用計算機分析、解決本專業實際問題的核心能力。

2 教學改革思路

計算機基礎教學改革的首要任務就是厘清改革的思路，不斷建立和完善與社會發展和技術進步相一致的教育理念；其次是設計具體的改革方案，然后在改革方案的框架下實施；最后評估改革的效果，逐步逼近改革目標。

師資隊伍是提高教學質量的重要保證。要進行教學改革，必須要有一個強有力的教學團隊作為支撐。特別是在當前新工科建設的背景下，應該加強師資隊伍建設，對于非計算機專業的計算機基礎教育，建立專兼職互補管理機制，融入非計算機專業的教師，發揮非計算機專業兼職教師的學科優勢，加強計算學科知識和其他學科知識相互融合，樹立以人為本、因材施教、培養能力、服務專業、面向應用的教育理念，針對專業需求和學生學習需求開展教學工作，為提高非計算機專業學生在本專業的計算機應用能力提供有效的師資保障。建設優秀的教師隊伍不能一蹴而就，要在教學改革中建設，建設中提高。

計算機基礎教學改革實際上是一個系統工程，主要涉及課程體系、支撐體系和能力目標體系3個主要方面。課程體系的改革主要是針對課程的內容、要求和對象；支撐體系的改革主要關注對課程的教學過程以及活動的保障和支持，以滿足學生線上線下、課內課外的學習與探索、協作與創新；能力目標體系的改革則主要根據不同學校人才培養要求、專業需求、社會發展和個人學習需求設計不同的能力級別和要求，其能力目標的達成則需要課程體系、支撐體系和教學方法與教學模式相互配合和支持。

因此，計算機基礎教學改革應該構建一個包括課程體系、實踐支撐體系、能力目標體系的教學體系。在該教學體系下，不僅可以實現優質教學資源的共享、教學活動的監督與管理、教學水平的有效提高，而且可以提升學生的計算思維能力、計算機應用能力、創新實踐能力。該體系應該以課程體系為龍頭，通過實踐支撐體系支持整個教學過程，支持教學方法的改革和教學模式的創新，實現學生計算機應用能力的不斷提升。課程體系需要根據學校人才培養要求設置不同層面的計算機基礎課程，制定不同層次的計算機應用能力培養目標，使得學生既能夠在理論方面得到提高，也能夠在實踐創新方面得到鍛煉，從而使得能力培養目標逐步遞進，最終實現學生的計算機應用和創新實踐能力的提升。

教學改革的落腳點是在課程的具體建設和實施層面，以課程建設為抓手，制定具體改革措施，使改革落到實處。教學改革必須轉變教育思想，探索教學方法，創新教學模式，在面向非計算機專業的計算機基礎教學時，要研究和探索新的教學方法和模式，使學生更容易理解和掌握計算機基礎教學的內容，重視運用計算思維解決問題的能力培養[4]，將計算思維融入解決本專業的計算機實際應用問題中，提高學生的計算機應用能力和創新實踐能力。

教學改革實踐中，必須注意課程體系、支撐體系和教學方法手段三者之間的相互融合，還必須將計算思維與課程知識、技術、方法相融合，將計算思維與教學方法、手段、過程相融合，計算思維與學生自主學習、科技活動、研究協作、創新創業相融合。從引入計算思維概念，到強化計算思維訓練，再到深化計算思維應用，將理論與實踐相結合，將計算機與專業應用相結合，實施教育部課指委 “分層分類”的教學原則，實現分層次的計算機應用能力的逐次遞進式發展和提高[5]。在實施過程中，還應該充分利用現代教育支撐技術和手段，將教學與數字化、過程化管理緊密結合，促進學生自主學習，使得教與學能夠得到有效的結合。

總而言之，教學改革要能夠達到提高學生的計算機應用能力、創新實踐能力的目的，要服務于培養適應社會發展需求的優秀高級人才的最終目標。

3 教學體系構建

根據計算機基礎課程教學改革的基本思路，構建一個以計算思維為核心的計算機基礎教學體系，如圖1所示。

該教學體系主要包括課程體系、實踐支撐體系和能力目標體系3個方面。

圖1 教學體系

1）課程體系主要包括一系列計算機基礎課程，課程和內容的設置按照大學人才培養目標和要求進行。第一層是基礎知識層，課程面向大學一年級，要求掌握計算思維的概念、計算機基礎知識、基本概念、工作原理，學會基本應用軟件；第二層是程序設計技術層，在學生具備第一層面的基礎上，可開設若干程序設計課程，如C程序設計、C++程序設計、VB程序設計、Java程序設計、Python程序設計等，要求以計算思維為核心，掌握設計程序解決問題的基本方法、技術和過程；第三層是專業應用層，在學生具備程序設計的基礎上，開設若干面向專業應用的課程，如數據庫系統和應用、管理信息系統、計算機硬件技術基礎、計算機監督與控制以及計算機輔助設計等，將計算思維的訓練進一步深入，要求掌握利用計算機軟件和硬件等技術解決專業相關問題的方法和過程；第四層是興趣拓展層，面向大三或大四的學生，開設若干學生感興趣的技術應用類課程，如網絡編程、游戲制作、圖形圖像處理、大數據和云計算等，進一步拓展學生的思維，培養學生的創新意識和能力。

2）實踐支撐體系要為課程體系所有教學活動提供必要的、有效的支撐。主要包括教學團隊的組建、實驗室與實驗環境的建立和完善、教學過程的監督和管理以及學生科技活動和創新研究的指導與咨詢。其中，教學過程的監督和管理尤為重要。目前，隨著數字化、網絡化教育教學的不斷深化，大學計算機基礎教學的數字化、網絡化教學和過程管理已經成為基本要求。因此，實踐支撐體系中需要引入相關的計算機網絡化教學系統如EOL、Sakai、Moodle等，基于移動終端的師生課堂互動平臺如藍墨云、雨課堂等，以及國家精品資源共享課程平臺等，這些支撐體系不僅可以共享數字化教學資源，還可以實現教學的有效管理和監督，也有利于積極開展新的教學模式、教學方法的改革、研究和實踐。

3）能力目標體系的建立首先應該按照課程教學要求確定，其次應該按照循序漸進、逐步提高的原則確定其具體目標。因此，能力目標體系與課程體系相對應，也分為4個層面：第一層以計算思維為導向，培養學生的信息素養和計算機的基本使用能力；第二層培養學生的計算思維能力和利用計算機進行基本計算的能力；第三層深化計算思維，培養學生利用計算機解決專業相關問題的基本能力；第四層拓展計算思維，培養學生合作、研究、創新的意識和能力。

實際上，教學體系的構建對于計算機基礎教學的改革十分重要，它不僅可以為計算機基礎教學的改革提供一個總體策略和框架，也為具體的教學實踐提供明確的路徑。一方面，課程體系通過實踐體系的有效支撐才能達到課程的教學目標以及學生的計算機應用能力目標；另一方面，將學生的計算機應用能力目標分解為4個層面，與課程層次相對應，這符合學生的認知規律，有利于學生通過不斷學習改進和提升計算思維能力，逐步提高計算機應用能力。

4 教學模式與教學方法改革與實踐

雖然計算機基礎教學體系的構建為計算機基礎課程的教學改革提供了重要的基礎框架，但是，要想取得良好的教學效果，達到預期的教學目標，還需要以不同層次的具體課程為載體，緊緊圍繞計算思維的本質和核心，創新教學模式，改革教學方法和手段，并在教學過程中不斷完善。其中，網絡化教學平臺是教學模式、教學方法和手段改革與實踐的重要保障。因此，計算機基礎教學改革的基本策略是首先建立技術支撐平臺，在此基礎上進一步開展教學模式與教學方法改革與實踐。

4.1 構建網絡化教學支撐平臺

構建網絡化教學支撐平臺能夠實現網絡環境下的課程教學、教學過程監督和管理、教學資源共享、師生課上課下互動等。技術支撐平臺要為實施教學模式、教學方法和手段改革提供必要的支持，使得教學模式、教學方法和手段的改革能夠以計算思維為導向順利展開實施。網絡化教學支撐平臺與教學模式和教學方法的關系如圖2所示。

圖2 以計算思維為核心的教學方法與手段圖

網絡教學平臺可以選擇Sakai系統，該系統既可以建立網絡課程教學站點，也可管理課程的教學過程，實現教學資源的數字化管理和教學過程的數字化管理。借助于Sakai系統，可以構建課程的“課程資源共享站點—課程教學班站點”的兩級站點架構模式[6]，“課程資源共享站點”用來實現教學資源共享，所建資源可以是課程大綱、課件、課程應用案例、課程重難點微視頻、學生作品、課程軟件下載包、軟件工具使用說明、課程參考資料、助教工作流程和要求、試卷樣例以及課程的各種教學和管理要求等；“教學班站點”則由任課教師創建，實現個性化教學，對關鍵教學活動和過程進行監管，教師活動主要包括個性化課程資源建設與更新、教學討論、答疑、推送課程預習資源、作業布置、作業批改等；學生活動包括作業提交、資源訪問、提問、討論等。通過制定基于Sakai網絡教學平臺的實施與評價細則，進一步規范計算機基礎課程的教學過程，實現課程教學的過程監管。另外，在Sakai系統中還可以添加國家級、省部級精品課程資源的鏈接，指導學生的進一步自學。

基于移動終端的師生課堂互動平臺則是為進一步促進教學效果的改善、滿足學生線上線下自主學習的需求而建立的。在課程的教學過程中，為了提供課堂師生應答新手段，調動學生學習積極性，優化課堂教學互動機制，提高互動效率，可以構建基于無線網絡移動終端的課堂應答系統[7]或基于移動終端的師生課堂互動平臺，如藍墨云、雨課堂等，實現課堂點名、問題應答、分組討論、授課效果反饋、課程評價等功能。通過該系統，教師在課堂上把學習內容分解成一系列的教學問題，每個教學問題引發一個“互動微循環”，形成課堂互動場景，師生課下還可以繼續利用該平臺開展問答、討論、咨詢和指導等教學活動。

4.2 網絡化教學背景下教學模式和教學方法改革

網絡教學支撐平臺的建立，為計算機基礎教學模式和教學方法的探索、改革和實施提供了廣闊的空間，在教學體系所確定的課程中，可以分層次開展教學方法與手段的研究、改革與實踐。在不同層次的課程中，探索實施研討式、案例式、任務驅動式、MOOC+翻轉課堂、SPOC+翻轉課堂、“三段+互動微循環+創新共享”互動協作、線上線下互動、科技活動+技術指導等教學方法和手段的相互融合，將計算思維的概念、方法、過程融入課程的教學過程中，激發學生的學習積極性、自覺性、主動性、創新性，尋求適合于不同團體的個性化教學方法，獲取滿意的教學效果，使學生能夠達到應用計算思維解決本專業的實際應用問題的目的。

1）融入計算思維概念的研討式教學方法。

在第一層次的課程中，引入計算思維概念，采用研討式教學方法。該方法結合計算機文化、發展、研究熱點以及計算機應用等選擇研討課題，分小組協作完成資料查找、PPT制作、成果展示、課堂討論、自評互評等研討式教學環節，激發學生的學習興趣。

2）培養計算思維能力的層次式案例教學方法。

針對第二、三、四層次課程的特點和教學難點，按照由簡到難的原則設計4種不同層次的問題和案例：知識導入型案例、知識點認知型案例、綜合認知型案例、自主提高型案例。針對不同案例的特點，以計算思維為導向，設計3種教學方法：案例分析法、案例討論法、案例驗證法，逐步提升學生的計算思維能力。

3）“三段+互動+共享”的互動協作教學方法。

在所有層次的課程教學過程中，構建課前、課中和課后的“三段式”一體化教學過程，借鑒“微課”和“翻轉課堂”的教學理念，如MOOC+翻轉課堂、SPOC+翻轉課堂，充分利用網絡化教學平臺、基于移動終端的課堂互動平臺，共享教學資源，實現課前預習、課中互動、課后協作交流和創作成果分享的教學方式，培養學生的自主學習能力。

4）課內外相結合的協作教學方法。

充分利用所建教學支撐平臺，開展課堂內外、線上線下、自主協作、研究創新的教學活動，采用應用問題引導、計算任務驅動、科技活動+技術指導等教學方法和手段，教師主要承擔指導作用，在指導學生解決問題、完成任務、創作作品的整個過程中，將計算思維貫穿其中，進一步提升學生的計算思維能力、自主學習能力、團隊協作能力和創新實踐能力。

5）體現能力為優的多元化考核評價方法。

在計算機基礎教學改革過程中，不僅要有完善的教學體系、良好的教學方法，還應該建立合理、有效、實用的評價方法。如何在課程教學中對學生的學習效果進行評價和考核是值得深入研究的課題。研究與實踐表明，開展對學生的多元化考核是一種值得嘗試的方式。通過對不同課程設置若干關鍵教學活動和考核點，可以達到對學生計算機應用能力的評價。如分組研討、實驗、大作業、作品創作、參賽獲獎、科研項目、理論考試、上機測試等，都可以作為對學生學習效果的評價內容。在不同層次的課程中，綜合考量這些考核內容，既可以促進學生的學習自主性、自覺性、積極性和創新性，也可以客觀、合理、有效地評價學生的“基本使用能力”“基本計算能力”“基本應用能力”“協作創新能力”。

6）計算思維教學活動的進一步延伸。

計算思維概念的建立和計算思維能力的提高，不能停留在計算機基礎課程本身的教學過程中，還需要得到進一步的延伸和拓展。實際上，在學生的專業應用問題解決、科研項目、科技競賽、作品創作等許多活動中都需要給予及時的指導，因此，有必要建立計算機科技活動咨詢指導中心，這種機構既可以使計算思維在學生自主學習、協作研究的過程中得到延伸，也可以營造創新氛圍，強化創新意識，為學生的創新能力的提高提供必要的支持。這種機構可以由經驗豐富的教師、優秀的高年級學生、研究生組成，通過網絡教學平臺、基于移動終端的互動平臺建立。

5 結 語

面向非計算機專業的計算機基礎教學具有量大、面廣的特點，要開展教學改革，首先面向全國同類高校開展調研，然后根據自身人才培養要求和學生特點做出良好的規劃，制訂改革方案，最后通過實踐加以驗證、評價和完善。在規劃中，構建面向非計算機專業、以計算思維為核心的計算機基礎教學體系是改革的重要環節，而以網絡化教學環境為支撐的教學方法的實踐則是檢驗教學效果的另一個重要環節。

重慶大學近幾年開展的以計算思維為核心的計算機基礎教學改革與實踐結果表明，所建立的“課程—環境—能力”三維立體化教學體系，以及開展的以網絡化教學平臺為基礎的教學模式和教學方法的探索和改革，都取得了令人滿意的效果，無論是教學效果還是學生的計算機文化素養、計算思維能力、計算機應用能力和創新實踐能力，都達到了學校人才培養的目標。據不完全統計，近5年重慶大學非計算機專業的學生結合專業應用和實際應用，運用計算機相關技術完成畢業設計論文914份，其中校優秀論文41份；完成SRTP項目253項、國家級大學生創新項目55項、國家級大學生創業項目57項；獲得中國大學生計算機設計大賽獲獎37項，獲中國大學生計算機設計大賽重慶市級賽獲獎45項，獲獎人數逐年遞增。2016年學校還獲得“中國大學生計算機設計大賽全國優秀組織獎”。

但是，計算機基礎教學的改革是一個系統工程，需要各方的支持，其改革之路還很漫長，還有許多問題需要解決。盡管如此，以計算思維為核心的對計算機基礎課程的改革仍將繼續。